För att möta problem med ökande klimatförändringar kan fjärrvärmen ha en betydande roll ur både en svensk och en internationell kontext. Samtidigt står svenska fjärrvärmebolag inför betydande utmaningar då värmepumpar blir ett allt vanligare val för att möta uppvärmnings- och tappvarmvattenbehovet, tillgången till avfall och biomassa som bränsle förutspås bli mer begränsad och byggnaders uppvärmningsbehov blir allt lägre. För att fjärrvärme ska fortsätta vara ett konkurrenskraftigt och hållbart alternativ för att möta uppvärmnings- och tappvarmvattenbehovet har konceptet fjärde generationens fjärrvärme (4GDH) tagits fram. 4GDH karaktäriseras av lägre nättemperaturer, fler förnybara energikällor för fjärrvärmeproduktion samt ökad integrering med andra delar av energisystemet. I detta examensarbete har dels möjligheter med att arbeta mot 4GDH i Borlänge Energis fjärrvärmenät undersökts och dels har potentialen med att uppnå ett hållbart energisystem genom att konvertera existerande svenska fjärrvärmenät till 4GDH undersökts. Examensarbetets fokus har primärt legat på den aspekt av 4GDH som innebär lägre nättemperaturer.  Beräkningar på Borlänges fjärrvärmenät visar att det finns fördelar med att sänka nättemperaturen i form av (1) ökad elproduktion i kraftvärmeverk (KVV), (2) effektivare rökgaskondensering samt (3) mindre värmeförluster. Störst kostnadsbesparingar och undvikta CO2-utsläpp erhålls genom effektivare rökgaskondensering följt av minskade värmeförluster. Den ökade elproduktionen i KVV medförde små kostnadsbesparingar och undvikta CO2-utsläpp i förhållande till tidigare nämnda faktorer. Simulering av Borlänges fjärrvärmenät i dagsläget och med 4GDH visade på att 4GDH skulle kunna leda till att en stor mängd drifttimmar undviks i Borlänge Energis avfallseldade hetvattenpanna samtidigt som fjärrvärmesystemet blir oberoende av fossila bränslen. Detta innebär stora undvikta CO2-utsläpp men grundat i att avfallsförbränning är en tjänst som fjärrvärmebolag får betalt för i dagsläget leder det totalt sett till en ökade bränslekostnader för Borlänge Energi.   Vid analys av kunder i Borlänges fjärrvärmenät valdes fem fastigheter ut som till stor del uppfyllde framtagna kriterier för att en fastighet skulle lämpa sig väl för 4GDH. Av dessa var tre fastigheter planerade byggnationer och två befintliga fastigheter. Av de presenterade tekniska lösningarna fanns endast tydlig ekonomisk lönsamhet, miljönytta och teknisk möjlighet i ett av fallen, där majoriteten av fastighetens fjärrvärmebehov kunde täckas av returvärme tack vare låga temperaturkrav. I två andra fall kunde ekonomisk lönsamhet och miljönytta konstateras men dessa krävde investeringar av externa aktörer för att tekniskt möjliggöras. I de övriga två fallen begränsades den ekonomiska lönsamheten och tekniska möjligheten av ett begränsat flöde i närliggande returledningar som föreslogs användas som framledning för lösningarna.  De långsiktiga fördelarna med 4GDH indikerade att det är ett angreppssätt man på sikt bör jobba vidare med i Borlänge eftersom det kan bidra till att uppfylla kommunala miljömål. Samtidigt visade de studerade kundfallen att det finns tydliga hinder för implementering av 4GDH trots att fastigheter bedöms väl lämpade för att nyttja lågtempererad fjärrvärme. Således drogs slutsatsen att 4GDH främst bör implementeras i form av större sekundärnät vilket kräver samordning av ett flertal aktörer och långsiktig planering. För att stödja Borlänge Energis arbete mot 4GDH togs en handlingsplan fram med rekommenderade åtgärder i dagsläget, på fem till tio års sikt och på längre än tio års sikt.  För att avgöra potentialen med 4GDH i svenska fjärrvärmenät generellt nyttjades resultat från beräkningar och simuleringar av Borlänges fjärrvärmenät för att simulera fyra typiska svenska fjärrvärmenät med olika produktionsmixar. Simuleringarna visade på att 4GDH i samtliga fall ledde till kostnadsbesparingar och undvikta CO2-utsläpp samtidigt som tillförseltryggheten ökade. Simuleringarna indikerade på att fjärrvärmenät där restvärme eller biomassa är de primära energikällorna främst drar fördel med 4GDH i form av minskade bränslekostnader medan fjärrvärmenät där avfall eller fossila bränslen är primära energikällor drar större fördel i form av undvikta CO2-utsläpp.  Resultaten från detta examensarbete visade att potentialen för att uppnå ett hållbart energisystem genom att konvertera svenska fjärrvärmenät till 4GDH är god. Beroende på vilken typ av svenskt fjärrvärmenät det är bör policys och styrmedel anpassas för att gynna en utveckling mot 4GDH, extra betydande är detta i fjärrvärmenät där avfallsförbränning står för en betydande del av fjärrvärmetillförsel. Generellt kan arbete mot 4GDH påbörjas på ett förhållandevis likvärdigt vis i svenska fjärrvärmenät, därför presenteras en generell metodik för hur svenska fjärrvärmebolag kan initiera en omställning mot 4GDH. / To face the emerging climate crisis, district heating could play an important role both in Sweden and internationally. Meanwhile, Swedish district heating companies are facing major challenges as heat pumps become more common to meet the heating and domestic hot water demand in buildings, the availability of waste and biomass as fuel is predicted to be limited and the heating demand of buildings is reducing. In order for district heating to maintain a competitive and sustainable alternative to meet the heating and domestic hot water demand in buildings, the concept of the fourth generation of district heating (4GDH) has been created. 4GDH is characterized by lower temperatures in the district heating network, more renewable energy sources used for heat production and increased integration with other parts of the energy system. In this master thesis, the possibilities with working towards 4GDH in Borlänge Energi’s district heating network has been evaluated. Also, the potential of achieving a sustainable energy system by converting existing Swedish district heating networks to 4GDH has been examined. The focus of the master thesis has primarily been on the aspect of 4GDH considering lower network temperatures.  Calculations show benefits with lower temperatures in Borlänge Energi’s district heating network such as (1) increasing electricity production in the combined heat and power plant (CHP), (2) more efficient flue gas condensation and (3) decreased heat losses. The largest reductions of costs and CO2 emissions are obtained from more efficient flue gas condensation followed by decreased heat losses. The increased electricity production in the CHP plant resulted in smaller reductions of costs and CO2 emissions compared to the above-mentioned factors. Simulations of a scenario where 4GDH is fully implemented in Borlänge, shows that 4GDH could lead to a lot of operating hours being avoided in the waste-fuelled hot water boiler and the district heating network being independent of fossil fuels. This means significant reductions of CO2 emissions but due to that waste incineration is a service that district heating companies gets paid for the total costs of fuel are increased.   When analysing customers in Borlänge Energi’s district heating network, five buildings were selected that largely fulfilled presented criterions for a building to suit well in a 4GDH system. Of these five buildings, three were planned buildings and two were existing. Of the presented technical solutions, there were only economic and environmental benefits with few technical barriers in one case. In this case, the heating and domestic hot water demand could mainly be covered by return heat owing to low temperature requirements. In two other cases, the economic and environmental benefits depended heavily on investments by external actors to be technically feasible. In the remaining two cases, the economic benefits and the technical feasibility was limited due to a limited flow in nearby return pipes which were proposed to be used as supply pipe to the buildings.  The long-term benefits with 4GDH indicated that it is an approach that should be continued with in Borlänge in the long term as it can contribute to reaching municipal environmental targets. However, the studied customer cases showed significant barriers to implementing 4GDH, although the buildings were assessed to be suited well for using low-tempered district heating. Thus, it was concluded that 4GDH should mainly be implemented by building larger low-tempered secondary networks. This requires coordination of multiple actors and long-term planning. To support Borlänge Energi’s work towards 4GDH, an action plan was presented with recommended measures today, in five to ten years’ time and in more than ten years’ time.  To generalize the results from Borlänge on a national level, the results from calculations and simulations of Borlänge Energi’s district heating network were used to simulate four typical Swedish district heating networks with different production mixes. The simulations showed that 4GDH in all cases led to reductions of costs and CO2 emissions and increased security of supply. The simulations indicated that district heating networks where residual heat or biomass is predominantly used mainly benefits from 4GDH through cost reductions, while district heating networks where waste or fossil fuels are predominantly used mainly benefits from 4GDH through reduced CO2 emissions.  The results of this thesis shows that the potential of achieving sustainable energy systems by converting Swedish district heating networks to 4GDH is high. Depending on the characteristics of the district heating network, policies and instruments should be adjusted to support a development towards 4GDH. This is especially important in district heating networks where waste incineration is a major source of the district heating supply. However, work towards 4GDH could generally be initiated in a relatively similar way in Swedish district heating networks. Therefore, a general method for initiating a transition towards 4GDH was presented

Sweden is a country that since long have prioritized the development of energy-smart solutions and the optimization of energy systems to reduce its energy consumption. Energy usage encompasses various needs, including heating buildings and premises, but most importantly, heating of residential properties. Today, nearly half of all heating is done through district heating, and the transition towards the idealization of this energy source is therefore crucial for future climate transitions. This development is now focused on a new generation of district heating technology called the fourth-generation district heating (4GDH). These technologies aim to reduce distribution temperatures from the current third-generation district heating technology (3GDH), which operates at 80-120°C in forward flow and 40-60°C in return flow, to 55-70°C in forward flow and 20-35°C in return flow.  The present report addresses what 4GDH may look like, with a focus on low-temperature district heating islands within an existing 3GDH network. The project is based on energy efficiency, competition from heat pumps, and recent customer demands, which necessitate the modernization of low-temperature networks to ensure the competitiveness of district heating. The objective of this work is therefore to gain an overview of the potential for improvement when establishing a low-temperature district heating network within an existing network, considering ecologic and economic perspectives. Using the programme NetSim, five different scenarios for conventional and low-temperature installations in Eskilstuna have been simulated. The results show that a low-temperature installation becomes significantly more expensive when only considering pipe prices, with economic losses amounting to approximately 1.05 million SEK in case 1 and around 0.91 million SEK in case 2. However, it was observed that the low-temperature networks in case 1 and 2 have significantly lower heat losses, primarily due to the material of the heat carrier but also the temperature difference in the pipes. An economic calculation was made, which revealed savings compared to the conventional network in each case, with profits of approximately 37 200 SEK and 24 400 SEK for each case, respectively. Regarding the assumed dimensioning, it is also evident that the hydraulic balance in the low-temperature networks is better than in the conventional one. In the lower temperature networks, temperature losses in the forward flow of up to 0.5°C and 0.6°C can be observed for case 1 and 2, respectively, while the conventional networks lose up to 6,4°C and 10,4°C. It can also be noted that there is a higher pressure drop in the low-temperature networks due to increased flow velocity to ensure power delivery. Furthermore, contact with Mälarenergi has confirmed that a hot water central system works well and should be utilized when switching from the primary network.

L’utilisation d'énergie en milieu urbain est essentielle pour le bon fonctionnement de notre société, en particulier pour les besoins de chauffage qui est un élément central de notre système énergétique souvent considéré comme allant de soi. Dans ce cadre, les systèmes énergétiques urbains et en particulier les réseaux de chaleur urbains ont besoin d’évoluer pour s'adapter à la transition à venir vers un système énergétique durable. Ce travail de recherche a pour objectif de présenter, de discuter et d’évaluer, du point de vue technico-économique, le concept de micro-réseaux de chaleur urbains basse température comme réseaux secondaires de distribution de chaleur actifs. Dans cette thèse, une approche méthodologique mixte basée sur la simulation analytique pour l'évaluation des alternatives est développée et discutée pour étudier une combinaison de technologies associées aux sous-stations basse température. Les principaux résultats de ce travail couvrent : le développement d’un modèle amélioré de charges thermiques agrégées ; la comparaison des performances des réseaux basse température ; l’analyse des avantages et des inconvénients des sous-stations actives couplées à des sources de chaleur ou du stockage distribuées ; et les effets d’une température de retour du réseau primaire plus basse. Les conclusions révèlent que la conception et le fonctionnement intégrés du micro-réseau de chaleur urbain actif ont le potentiel d'améliorer les performances de l'ensemble du système, afin de relever ses défis d'une manière efficace et rentable. Ce travail fait progresser les connaissances actuelles sur le chauffage urbain en identifiant les synergies et les enjeux associés, en vue de que ces technologies jouent un rôle clé dans le futur système énergétique intelligent et durable. / Energy use in the urban environment is vital for the proper functioning of our society, and in particular, comfort heating –and cooling– is a central element of our energy system that is often taken for granted. Within this context, district energy systems and especially, district heating (DH) systems must evolve to adapt to the upcoming decades-long transition towards a sustainable energy system. This dissertation seeks to introduce, discuss, and asses from a techno-economic perspective, the concept of low-temperature based thermal micro-grids (subnets) as active distribution thermal networks. For this purpose, a mixed methodological approach based on analytical simulation for the assessment of alternatives is developed and discussed to evaluate a set of technologies. Key findings of this research include: an updated and improved model of aggregated heat loads; the identification of differences in load and temperature patterns for certain LT subnets; the analysis of benefits and drawbacks of active substations with distributed heat sources and/or storage; and the impact of the reduction of the primary network return temperature, which leads to lower generation & operating costs. These outcomes reveal that the integrated design and operation of the active thermal micro-grid have the potential to improve the performance of the entire system, to address the matter of providing comfort heating in an effective and cost-efficient manner. This work advances the current DH knowledge by identifying synergies and challenges that arise with these new developments, in order for DH to play a key role in the future smart and sustainable energy system.

This master thesis aims to develop an assessment tool for decision-making regarding future establishment of low-temperature district heating (LTDH). The tool is created as an indicator system on behalf of Södertörns Fjärrvärme AB (SFAB). SFAB is currently responsible for the distribution of high-temperature district heating (HTDH) to customers in the municipalities of Huddinge, Botkyrka, and Salem. The indicator system is designed to, in a first assessment step, examine the conditions that a delimited area has for conversion to lower system temperatures to be possible. Each indicator is quantified and graded. When using the system, a weighted final judgement is generated which indicates whether an area is suitable for LTDH or not. Furthermore, the purpose of this thesis is to also evaluate the tool by applying it to various areas within SFAB. This enables analysis and discussion regarding the tool's function in a real context. The development of the indicator system is the main result of the study. It consists of four indicators that take the following aspects into account: qualitative conditions (KA), conditions on the customer side (AA), the economic benefit (CRG), and the system condition (STA). The results from the implementation show that one out of five case-areas have good potential to be converted to LTDH, while the remaining cases fall below the limit for what is considered acceptable. No area from this project ends up over 75% of the maximum score, which would indicate very good potential. To validate the indicators, Pearson's correlation coefficient was calculated. The results show that there is a negligible to a weak correlation between all indicators, except KA & STA which has a strong correlation. For an HTDH area to be relevant for conversion to LTDH, the qualitative context of the area should be suitable, and the secondary side should be able to be supplied with lower temperatures. Furthermore, there should be an opportunity for increased system capacity and finally, a conversion should be economically beneficial. The application of the indicator system is an efficient and uncomplicated approach that makes it possible to identify areas that have the potential to develop district heating in a more sustainable direction. It is also possible for stakeholders to subsequently modify the indicator system if desired. In the longer term, the indicator system is an incentive for new business opportunities, increased energy efficiency, and increased economic benefits.

Thermal energy storage (TES) systems are technologies with the potential to enhance the efficiency and the flexibility of the coming 4th generation low temperature district heating (LTDH). Their integration would enable the creation of smarter, more efficient networks, benefiting both the utilities and the end consumers. This study aims at developing a comparative assessment of TES systems, both latent and sensible heat based. First, a techno-economic analysis of several TES systems is conducted to evaluate their suitability to be integrated into LTDH. Then, potential scenarios of TES integration are proposed and analysed in a case study of an active LTDH network. This is complemented with a review of current DH legislation focused on the Swedish case, with the aim of taking into consideration the present situation, and changes that may support some technologies over others. The results of the analysis show that sensible heat storage is still preferred to latent heat when coupled with LTDH: the cost per kWh stored is still 15% higher, at least, for latent heat in systems below 5MWh of storage size; though, they require just half of the volume. However, it is expected that the cost of latent heat storage systems will decline in the future, making them more competitive. From a system perspective, the introduction of TES systems into the network results in an increase in flexibility leading to lower heat production costs by load shifting. It is achieved by running the production units with lower marginal heat production costs for longer periods and with higher efficiency, and thus reducing the operating hours of the other more expensive operating units during peak load conditions. In the case study, savings in the magnitude of 0.5k EUR/year are achieved through this operational strategy, with an investment cost of 2k EUR to purchase a water tank. These results may also be extended to the case when heat generation is replaced by renewable, intermittent energy sources; thus increasing profits, reducing fuel consumption, and consequently emissions. This study represents a step forward in the development of a more efficient DH system through the integration of TES, which will play a crucial role in future smart energy system. / Thermal energy storage (TES) eller Termisk energilagring är en teknologi med potentialen att öka effektivitet och flexibilitet i den kommande fjärde generationens fjärrvärme (LTDH). Studien har som mål att kartlägga en komparativ uppskattning av TES systemen, baserad både på latent och sensibel värme. Resultaten visar att lagring av sensibel värme är att föredra före latent värme när den kopplas med LTDH: pris per lagrade kWh kvarstår som 15% högre än för latent värme i system under 5 MWh av lagringsutrymme; dock fordrar de endast hälften av volymen. Utifrån systemperspektiv innebär introduktionen av TES system i nätverket en ökning av flexibilitet vilket leder till reducerade värmeproduktionskostnaderna i mindre belastning. I fallstudien nås en sparnivå av femhundra euro per år genom denna operativa strategi, med en investering av 2000 euro för inköp av vattentank. Resultaten kan också vidgas till en situation där värmeproduktionen ersätts av förnybara, intermittenta energikällor; till detta medföljer högre vinster, lägre bruk av bränsle vilket skulle innebära lägre utsläpp. Studien kan ses som ett steg framåt mot skapandet av en mer effektiv DH system genom integrationen av TES, vilket kommer att spela en betydande roll i framtida smarta energisystem.

It is known that the heating and cooling market constitutes a large part of energy market across Europe and that the domestic and non-domestic buildings have together the largest share of energy demand. The aim of the European climate goals is to reduce the use of fossil fuel based systems and the allowance of energy demand. These have been striving reasons to increase efficiency and reduce GHG emissions on energy systems for buildings. The climate goals and regulations mentioned in this study implicates that European countries strives towards renewable sources in the heating sector, and encouraging heating networks with renewable sources. E.ON has developed a new low temperature district heating and cooling system called EctogridTM, a heat network integrated with heat pumps and cooling machines to supply energy. This thesis will thoroughly describe this heating and cooling system, called EctogridTM, and its constitutive components. The aim of this study is to determine whether the energy markets in Germany and United Kingdom are ready for an introduction of EctogridTM, and exploit existing and upcoming obstacles. To determine this, two research questions are answered through literature review, research and a case analysis. The first research question is evaluating the energy market in Europe with a focus on the heating demand in Germany and United Kingdom where fossil fuels are the dominating fuel. Second research question is comparing EctogridTM with a 4th generation district  heating  network, 4GDHn, in costs to evaluate the competitiveness with existing energy systems on the market. It is concluded that obstacles exist, how big they are for EctogridTM differs from country to country. How developed and flexible the infrastructure is, what energy sources and technologies are commonly used for heating purposes, building insulation, energy prices and regulations are factors that more or less variates from country to country and decides the severity of the feasible imposed obstacles. Germany and United Kingdom mostly uses decentralized gas boilers for the building heating demand, people often reasons them to have cheap running cost due to the energy prices. This study shows that that despite the big difference in energy price between gas and electricity for a household, heat pumps with a minimum COP of 3.5 will have lower running costs  than traditional gas boilers. Since EctogridTM uses heat pumps with a COP between 4-5, in optimal conditions, it is quite competitive in running cost to gas boilers. The obstacle here lies in most buildings being old and insufficient insulated for an EctogridTM system and the investment costs often being more expensive compared to gas boilers. Installing a heat pump or a gas boiler shows that the CO2 emissions per kWh of useful heat (kg CO2/kWh) are 0.31 for a gas boiler and 0.16 for an AHP which means a decrease in emissions of around 50% per useful kWh heat. The case study compared 4GDHn with an EctogridTM solution as an energy system. The case study consisted of 3 buildings with a heating and cooling need in a newly built area in Germany and United Kingdom. The study showed that an EctogridTM solution was more expensive for the customers but more profitable for producers when comparisons were made with regards to the current energy prices and estimations. However, a larger area with a much higher energy demand needs to be considered to see the real competitiveness of EctogridTM and electrified solution. A larger cooling demand will benefit EctogridTM  while reducing the profits of a 4GDHn. The uncertainty of the acquired data, since no pilot project exists yet, makes it hard to draw a certain conclusion whether it is a more competitive energy system than a 4GDHn and other current low carbon heating systems. / Värme- och kylbehovet utgör en stor del av energisektorn i Europa, där kommersiella och icke- kommersiella byggnaderna tillsammans står för den största andelen av energibehovet i energimarknaden. Målet med Europas klimatmål är bland annat att minska användningen av fossila bränslen samt energibehovet. Klimatpåverkan från värme- och kylsystem i byggnadssektorn har varit omfattande och klimatmålen motiverar ägarna av energisystemen att bli mer energi effektiva och minska deras växthusemissioner. Klimatmål och bestämmelser som nämns i denna rapport visar att länderna i Europa strävar efter att främja förnybara källor i värmesektorn, där värmenätverk är ofta nämnd.E.ON har utvecklat ett låg temperaturs nätverk som kallas för EctogridTM, där nätverket är integrerat med värmepumpar och kylmaskiner för att leverera energi. Det här arbetet kommer noggrant att beskriva EctogridTM och dess djupgående komponenter.Syftet med denna studie är att avgöra om energimarknaden i Tyskland och Storbritannien är redo för en implementering av EctogridTM, och upplysa om de existerande samt framtida hindren. För att svara på detta är två nyckelfrågor framtagna och besvarade genom litteraturstudie, forskning och en fallstudie.Första nyckelfrågan utvärderar energimarknaden i Europa med fokus i Tyskland och Storbritanniens värmebehov där användingen av fossila bränslen utgör större delen av marknaden. Andra nyckelfrågan jämför kostnaderna mellan EctogridTM  och 4:e generationens fjärrvärmenätverk, detta för att ta veta hur konkurrenskraftig EctogridTM är gentemot nuvarande och snarliknande energisystem i marknaden. Studien visar att hinder existerar när EctogridTM introduceras till marknaden, hur stora dom är kan variera mellan olika länder. Hur utvecklat och flexibelt infrastrukturen är, vilken energikälla samt teknologi som vanligtvis används för komfortvärmen, byggnadsisolering, energipriser och bestämmelser är faktorer som mer eller mindre varierar mellan länderna och  bestämmer storheten på hindret/n. Tyskland och Storbritannien använder mestadels lokala gaspannor för värmebehovet i byggnader. Ofta associeras gaspannor med låga driftkostnader på grund av energipriserna. Den här studien visar att värmepumpar med en genomsnittlig COP som är minst 3.5 har lägre driftkostnader än traditionella gas pannor, trots den stora skillnaden mellan gas- och elpriset. Då EctogridTM använder värmepumpar som i drift skall ha en genomsnittlig COP på mellan 4-5, vid optimala förhållanden, är detta system konkurrenskraftigt gentemot lokala gaspannor. Hindret här ligger i att de flesta byggnader inte är tillräckligt bra isolerade och kan implementera EctogridTM då systemet opererar i för låga temperaturer, samt att investeringskostnaderna oftast är betydligt dyrare än ett system med gaspanna. Vid installation av en luftvärmepump eller gaspanna visar att CO2 emissionerna per kWh nyttig värme (kg CO2/kWh) är 0.31 för en gaspanna och 0.16 för luftvärmepumpen, vilket leder till en halvering av CO2 utsläpp. Den skapade fallstudien jämför 4:e generationens fjärrvärmenät med en EctogridTM lösning, där systemen ska förse tre nybyggda fastigheters värme- och kylbehov i ett nybyggnationsområde i Tyskland samt Storbritannien. Fallstudien visade att implementerandet av EctogridTM var dyrare för kunden men avkastningen för energibolagen var högre än 4:e generationens fjärrvärmenät, detta baserades på nuvarande energipriser samt prissättningen. Men det är rekommenderat att göra en jämförelse över ett större område med högre energibehov än i denna fallstudie för att få en mer verklig uppfattning. Ökad andel av kylbehov än i denna fallstudie är även något att se över då det ökar avkastningen för EctogridTM och förväntas öka effektiviteten avsevärt för systemet. Något som inte är lika fördelaktigt för 4:e generationens fjärrvärmenät. Det är svårt att ge helt tillförlitliga slutsatser och resultat då ett pilotprojekt på EctogridTM inte existerar ännu, det vill säga den data som har varit grunden för vår analys och resultat är inte bekräftad att vara helt korrekta. Vilket gör att man med säkerhet inte kan säga om EctogridTM är mer eller mindre konkurrenskraftig än 4:e generationens fjärrvärmesystem och andra befintliga lågemitterande värmesystem.

District heating plays a major part of the energy system used for heat supply in Sweden. The starting point of this parameter study have been to investigate the possibilities to provide the area Tullkammarkajen with efficient district heating supply in help of low temperature residual heat and waste heat from a nearby industry. The area is located in the city center of Halmstad and is currently in its planning phase. Facilities and apartments are planned to be built.The study is based on three different parameters: type of system, system temperatures and energy demand. The different type of systems that is analyzed is conventional districtheating, low-temperature district heating with a heat pump as a complement as well as low-temperature district heating with the primary network’s feed line as a complement. Further comparison was made between these parameters, both from an energy wise perspective as well as from an economic perspective.The underlying idea to this study has been to obtain an energy efficient solution that at the same time suits the principle of sustainable development. However, it can clearly be seen in the presented results that it is more profitable to use more conventional methods that are not adapted to sustainable development, based on today’s market. Thus, the question becomes whether the future of innovative solutions or economical funds should be prioritized.

District heating (DH) systems have been commonplace in Europe for over a century. These systems have undergone an evolution since their conceiving, and today we are at the precipice of the next major transition from the third-generation district heating system (3GDH) to the fourth generation (4GDH). Current 3GDH systems operate at a supply temperature in-between 80 °C - 100 °C and a return temperature of around 45 °C. Future 4GDH systems will operate at a supply temperature below 70 °C and return temperature as low as 25 °C, and therefore, will integrate waste heat available at low temperatures, and renewable heat sources.The literature review performed here shows that low temperature DH (LTDH) systems have several benefits over their conventional temperature DH (CTDH) predecessor and achieve lower operating costs for some technologies when compared to the CTDH alternative. Therefore, in this thesis, a TIMES (The Integrated MARKAL-EFOM System) model is used to simulate the operation of a DH system. The learnings from the literature review were incorporated into the model so that certain operational differences between CTDH and LTDH systems could be compared.In this context, the aim of this project is to analyse the effects of flexibility options on the operation of a DH system, and to compare these effects between CTDH and LTDH systems. Flexibility options in DH systems are technologies and concepts that work towards balancing heat generation and demand in thermal grids and can also help balance power generation and demand in electrical grids. Examples of flexibility options are thermal energy storage (TES) tanks, and seasonal energy storages (e.g., borehole TES (BTES), caverns (CTES), and pits (PTES)). These flexibility options have already been implemented in varying amounts in today’s CTDH systems and will therefore have to provide the same service with LTDH systems in the future.As part of the REWARDHeat project (grant agreement No. 857811), the Swedish city of Helsingborg was used as the case-study in this thesis. The city’s heating sector was incorporated into a TIMES heat model and simulated for the period 2017 to 2052. The existing CTDH system model was then adapted to a LTDH system model and simulated for the same time horizon. Both the CTDH model and LTDH model were simulated for a case with TES available and then for a case where TES was not available, to better-identify the flexibility benefits. The effect of electricity prices on the operation of the system was also studied, where one case uses electricity prices that are on the conservative (i.e., higher) side and another on the ambitious (i.e., lower) side. This means that a total of eight scenarios were simulated and analysed.The results show that more heat storage capacity is utilised in the LTDH system due to TES technologies having lower heat losses. Also, it was found that peak shaving was more pronounced in the LTDH system. This is due to more base heat supply in the system from more excess heat, and from STES discharging. This means that the required installed capacity of heat generating technologies are lower compared to the CTDH alternative. This all translates to TES technologies facilitating greater savings in total system cost, by almost 10%, in the LTDH system. The CTDH and LTDH systems studied in this thesis (i.e., with and without TES) are seen to transition from being a net electricity generator to being a major electricity consumer. This is due to reducing electricity prices going into the future, which incentivise investments into heat pumps (HPs), eventually making the systems (with combined heat and power (CHP) plants in the mix in the earlier years) HP-dominated. The inclusion of TES technologies is shown to accelerate this transition in both CTDH and LTDH systems studied in this thesis. More electricity is generated in the CTDH system than in a LTDH system as the cost savings from running HPs (due to higher coefficients of performance (COP) in low-temperature operation) offsets the revenue from electricity sales.Finally, the effect of electricity prices is also seen in the results. Lower electricity prices favour more DH production from HPs, while higher electricity prices incentivise increased production from CHP plants. The results show that the CTDH system gives the network operator more freedom (than in the LTDH system) to respond to electricity prices.Therefore, to conclude, LTDH systems can make more use of the flexibility provided by TES technologies due to lower heat losses, as shown through DH production volumes being lower, and through more peak shaving.Similar studies in future could incorporate a sensitivity analysis on the COPs of HPs in LTDH systems, given that this parameter seems to greatly influence the cost optimised strategy for operating DH systems. Also, it may be beneficial to expand the study into incorporating the city’s power sector, which would mean incorporating the electricity demand into the model. It would be interesting to see if this would cause the model to invest in other technologies other than HPs, or if it might still make more financial sense to import the electricity at market prices. Finally, the cost of transitioning from a CTDH system to a LTDH system could also be considered in the model, as it was not the case in this project. This would probably show that the financial benefit of LTDH systems is less than what is predicted in this study. / Fjärrvärmesystem har varit vanliga i Europa i över hundra år. Dessa system har utvecklats sedan de utformades, och idag står vi inför nästa stora övergång från tredje generationens fjärrvärmesystem (3GDH) till fjärde generationen (4GDH). Dagens 3GDH-nät fungerar med en framledningstemperatur mellan 80 °C och 100 °C och en returtemperatur på cirka 45 °C. Framtida 4GDH-nät kommer att fungera vid en framledningstemperatur under 70 °C och en returtemperatur så låg som 25 °C, och kommer därför att integrera spillvärme som är framkomlig vid låga temperaturer och förnybara värmekällor.Litteraturstudien som gjorts i den här studien visar att fjärrvärmenät med låg temperatur har flera fördelar jämfört med deras föregångare med konventionell temperatur och att driftskostnaderna för vissa tekniska system är lägre än för alternativet med konventionell temperatur. I denna avhandling används därför en TIMES-modell (The Integrated MARKAL-EFOM System) för att simulera driften av ett fjärrvärmesystem. Lärdomarna från litteraturstudien användes i modellen för att vissa driftskillnader mellan dessa två system så att de kunde jämföras. I detta sammanhang är syftet med detta projekt att analysera effekterna av flexibilitetsalternativ på driften av ett fjärrvärmesystem och att jämföra dessa effekter mellan konventionella temperaturer och lågtemperaturssystem. Flexibilitetsalternativ i fjärrvärmenät är teknologi och koncept som arbetar för att balansera värmeproduktionen och efterfrågan i termiska nät och som också kan bidra till att balansera elproduktionen och efterfrågan i elnätet. Exempel på flexibilitetsalternativ är lagringstankar av värmeenergi och säsongsbundna energilägen (till exempel lagring av värmeenergi i borrhål, grottor och gropar). Dessa flexibilitetsalternativ har redan införts i varierande omfattning i dagens fjärrvärmenät och kommer därför att användas med lågtemperaturnät i framtiden.Som en del av REWARDHeat-projektet (bidragsavtal nr 857811) användes den svenska staden Helsingborg som fallstudie i denna studie. Stadens värmesektor införlivades i en TIMES-värmemodell och simulerades för perioden 2017–2052. Den befintliga fjärrvärmenät modellen med konventionell temperatur anpassades sedan till en fjärrvärmenätmodell med låg temperatur och simulerades för samma tidsperiod. Båda modellerna simulerades för ett fall där värmeenergilagring var tillgänglig och sedan för ett fall där värmeenergilagring inte var tillgänglig, för att bättre identifiera flexibilitetsfördelarna. Effekten av elpriserna på systemets funktion undersöktes också, där ett fall använder elpriser som är på den konservativa (dvs. högre) sidan och ett annat på den ambitiösa (dvs. lägre) sidan. Detta innebär att totalt åtta scenarier simulerades och analyserades.Resultaten visar att mer värmelagringskapacitet utnyttjas i fjärrvärmesystemet med låg temperatur på grund av att tekniken för lagring av värmeenergi har mindre värmeförluster. Det konstaterades också att lastutjämning var mer i fjärrvärmesystemet med låg temperatur. Detta beror på att det finns mer grundvärme i systemet på grund av mer överskottsvärme och på att värmeenergilagringar i borrhålen laddas ur. Detta innebär att den installerade kapacitet som krävs för värmeproducerande teknologi är lägre jämfört med alternativet med konventionell temperatur. Allt detta innebär att tekniken för lagring av värmeenergi möjliggör större besparingar i den totala systemkostnaden, med nästan 10 %, i fjärrvärmesystemet med låg temperatur. De konventionella och lågtemperatur fjärrvärmesystem som studeras i denna avhandling (dvs. med och utan lagring av värmeenergi) övergår från att vara nettogeneratorer av el till att bli stora elkonsumenter. Detta beror på att elpriserna kommer att sjunka i framtiden, vilket ger incitament till investeringar i värmepumpar, vilket i slutändan gör att systemen (som har haft kraftvärmeverk i mixen under tidigare år) kommer att domineras av värmepumpar. Införandet av tekniken för värmeenergilagring visar sig påskynda denna övergång i båda de system som studeras i denna avhandling. Det produceras mer el i fjärrvärmesystemet med konventionell temperatur än i ett fjärrvärmesystem med låg temperatur, eftersom kostnadsbesparingarna från drift av värmepumpar (på grund av högre prestandakoefficienter) med låg temperatur uppväger intäkterna från elförsäljning.Slutligen syns också effekten av elpriserna i resultaten. Lägre elpriser gynnar mer värmeproduktion från värmepumpar, medan högre elpriser stimulerar ökad produktion från kraftvärmeverk. Resultaten visar att fjärrvärmesystemet med konventionell temperatur ger nätoperatören större frihet (än i fjärrvärmesystemet med låg temperatur) att reagera på elpriserna.Sammanfattningsvis kan man därför konstatera att fjärrvärmesystem med låg temperatur i högre grad kan utnyttja den flexibilitet som tekniken för värmeenergilagring ger på grund av lägre värmeförluster, vilket visas genom att produktionsvolymerna för fjärrvärme är lägre och genom en högre grad av lastutjämning.Liknande studier i framtiden skulle kunna omfatta en känslighetsanalys av värmepumparnas prestandakoefficient i fjärrvärmesystem med låg temperatur, eftersom denna parameter verkar ha stor betydelse för den kostnadsoptimerade strategin för driften av systemet. Det kan också vara fördelaktigt att utvidga studien till att omfatta stadens energisektor, vilket skulle innebära att elbehovet inkluderas i modellen. Det skulle vara intressant att se om detta skulle få modellen att investera i andra tekniker än värmepumpar, eller om det fortfarande skulle vara mer ekonomiskt fördelaktigt att importera el till marknadspris. Slutligen skulle kostnaden för att övergå från ett fjärrvärmenät med konventionell temperatur till ett fjärrvärmenät med låg temperatur också kunna beaktas i modellen, eftersom så inte var fallet i detta projekt. Detta skulle förmodligen visa att den ekonomiska fördelen med fjärrvärmenät med låg temperatur är mindre än vad som förutses i denna studie.